沥青混凝土路面结构组合力学分析

沥青混凝土路面面层厚度和基层模量是路面结构设计中的重要参数。采用3种典型路面结构,分析基层模量变化时的面层最大剪应力和层底弯拉应变的变化趋势。结果表明,增加沥青混凝土层厚度和增大基层模量能减小层底弯拉应变,有利于获得更长的结构疲劳寿命。同时,基层模量增大使面层剪应力增大。为此,在原有的层底弯拉应变和基顶压应变指标的基础上,提出增加抗剪指标以控制基层模量在合理范围内,防止出现过早的局部损坏。最后,提出了长寿命沥青混凝土路面组合设计的建议。     

结构层模量对半刚性路面结构设计的影响

为研究结构层不同模量取值对路面结构设计指标的影响,根据弹性层状体系理论,利用有限元软件分析各路面结构层模量对无机结合料底基层拉应力、沥青混合料分层竖向压应力和路表弯沉的影响。分析表明:为满足无机结合料底基层疲劳寿命的要求,应选择较低的底基层模量、较高的路基模量和中下基层模量。通过提高上面层、中面层模量,减小下面层、上基层模量,降低沥青混合料层永久变形。增大各结构层模量,可减小路表弯沉。     

面层模量对重载交通沥青路面受力特性及使用寿命的影响分析

面层模量是路面设计的重要力学参数,它的取值将直接影响到路面结构的设计结果及受力特性。应用路面计算程序,系统分析面层模量变化对重载交通沥青路面路表弯沉、基层层底拉应力、底基层层底拉应力以及路面结构疲劳寿命的影响,并阐述其影响规律。结果表明,面层模量对重载交通沥青路面的受力与变形特性及使用寿命具有显著的影响,提高面层模量值将增大面层应力,显著减小路表弯沉值、基层及底基层层底拉应力,进而提高路面的疲劳寿命。     

沥青路面面层各结构层疲劳寿命预测分析

为准确预测沥青面层各结构层的疲劳寿命,文中通过现场芯样动态模量试验及落锤式弯沉仪,现场检测获取了长期服役后道路各结构层的模量参数。采用BISAR软件分析沥青路面各结构层在长期服役后的层底拉应变,建立疲劳开裂寿命预测模型,分析比较沥青路面面层各结构层的疲劳寿命。研究表明,①在标准荷载作用下,取芯路段中面层剩余疲劳寿命最大,其次是上面层,下面层疲劳寿命最小;②公路路面技术状况指数PQI与路面剩余疲劳寿命之间不存在明显联系,通过路面表观性能,并不能准确反映路面服役寿命。     

沥青路面路基结构组合优化力学数值探析

采用ABAQUS建立了沥青路面结构的三维有限元模型,对典型沥青路面的动力学特征进行了模拟计算,通过分析路面结构动力响应量和结构参数的关系,获得了两者的正负相关性,并提出了改善路面结构受力状态的有效途径。研究结果表明:面层模量一定时,随基层模量的增加,路表弯沉下降,半刚性路面和组合式路面基层层底应力增加;当基层模量一定时,随面层模量的增加,半刚性路面路表弯沉的变化较小,倒桩式路面和组合式路面路表弯沉变化明显,且组合式路面的基层层底应力明显提高;随基层模量增大,半刚性路面收底基层层底应力变化显著,受面层模量影响较小;当面层模量达到2 000 MPa后,基层模量对倒桩式路面底基层层底应力影响可忽略;面层模量较高时,基层模量和面层模量的增加,组合式路面的底基层底应力减小;随基层厚度的增加,路面各力学响应指标逐渐减小,基层厚度大于40 cm时,通过增加基层厚度来改善路面疲劳开裂效果减弱;基层厚度小于20 cm时,底基层的弯拉应力较大,路面基层为主承重层,承担较大的荷载作用,因而可通过提高基层厚度来抑制弯拉破坏,改善基层受力。     

结构层模量对柔性路面力学响应的影响

为研究不同结构层模量对路面力学响应的影响,依据弹性层状体系理论,利用有限元软件计算不同模量下的柔性路面结构设计指标,并分析其变化规律。结果表明,中基层、下基层模量增加可提高沥青混合料层疲劳寿命,上面层、中面层模量增加可以减小沥青混合料层永久变形,路基模量越大,路基顶面竖向压应变和路表弯沉值越小。     

路基回弹模量对沥青路面结构受力的影响

针对不同的路基回弹模量,采用BISAR3.0路面应力计算程序,分析了路表弯沉、面层内剪应力与压应力、基层底拉应力等沥青路面结构受力参数伴随路基回弹模量变化的趋势。分析结果表明:路基回弹模量对路表弯沉和基层底拉应力影响比较大,对面层剪应力和压应力影响较小,较高的路基回弹模量可有效提高路面的结构承载力和疲劳寿命,改善路面使用性能。     

基于新版沥青路面设计规范的路面结构设计分析

在2017版沥青路面设计规范颁布后,为了分析路面结构原设计方案的可行性,根据新规范的规定,对道路轴载谱进行了实测并对路面材料参数进行了室内试验,对路面结构进行了重新设计,并对沥青面层厚度、路床顶面回弹模量等参数对基层疲劳寿命的影响进行了分析。结果表明:根据实测轴载谱,原设计方案半刚性基层疲劳寿命不满足要求,通过增大路床处理深度提高路床顶面回弹模量可显著提高半刚性基层疲劳寿命。轴载谱实测及路面结构分析结果可为半刚性基层沥青路面结构性损坏原因调查提供依据。     

级配碎石基层沥青路面复合土工格栅最佳层位研究

为优化级配碎石基层沥青路面复合土工格栅结构,基于层状结构体系理论,采用黏弹性模型和Mohr-Coulomb模型表征沥青面层和级配碎石层的特性,通过Abaqus建模分析典型路面结构的应力、土工格栅的抗开裂性能和疲劳寿命,确定和试验路验证了土工格栅的最佳层位。结果表明:土工格栅位于沥青面层与级配碎石层交界面处时,级配碎石层受压,沥青层底的最大拉应力和拉应变最小,且结构疲劳寿命最长。综合考虑级配碎石厚度和模量对沥青层和半刚性基层层底最大拉应力的影响,建议级配碎石的模量≥300 MPa,厚度取15~20cm。研究成果可为复合路面结构提供设计理论依据和施工经验。     

移动荷载作用下长大纵坡沥青路面力学响应分析

为了研究结构层参数对长大纵坡沥青路面结构力学性能和路用性能的影响作用,采用有限元软件建立了移动荷载模型及长大纵坡沥青路面结构三维有限冗模型,分析了移动荷载作用下,面层、基层竖向压应力、最大剪应力、层底拉应力随各结构层厚度、模量及结构层组合的变化规律。结果表明：面层模量的增加在提高路面抗车辙性能的同时会降低其抗疲劳开裂性能;增大基层模量可以提高面层抗疲劳性能,但同时增加了基层层底拉应力,降低了基层抗疲劳性能;对于刚度较大的半刚性基层,面层厚度取低值可以增强长大纵坡沥青路面的抗车辙性能,基层厚度对于路面结构抗车辙性能影响较小;面层与基层模量比值在0．8～1．1范围内变化时,对长大纵坡沥青路面结构受力较为有利。     

面向30年的长寿命沥青路面设计研究

以江苏省某柔性基层长寿命路面结构为基础,分别采用疲劳极限理论和累积损伤理论进行结构设计研究,分析不同设计理论的关注要点。研究结果表明,采用疲劳极限理论,模量采用20℃下动态模量时,沥青路面结构的力学响应显著低于长寿命路面的设计要求,采用最不利条件下实际温度场对应的动态模量时,原路面结构不能满足设计要求,且沥青层内最大水平弯拉应变出现在中面层底;采用累积损伤理论,低剂量水泥稳定碎石底基层的疲劳寿命难以满足设计要求。综合模量、厚度等敏感因素分析,得到符合设计交通量条件的长寿命沥青路面结构。     

路基回弹模量衰减对路面结构性能的影响研究

基于中国现行公路路面结构设计原理,选用路基回弹模量作为路基性能表征指标,通过改变路基回弹模量的大小,计算标准轴载作用下典型沥青路面结构及水泥砼路面结构层底拉应力与疲劳寿命。研究表明,沥青路面及水泥砼路面结构层底拉应力与路基回弹模量具有良好的对数函数关系,而路面结构疲劳寿命与路基回弹模量具有良好的二次函数关系;随着路基回弹模量的降低,路面结构层底拉应力快速增加,而疲劳寿命急剧衰减;为确保路面结构能达到设计标准轴载作用次数,必须确保路基具有足够高的回弹模量。     

基于动力特性的典型沥青路面性能评价与结构优化

为研究动态荷载作用下沥青路面的力学特性及其使用性能,以Abaqus有限元软件为平台,建立沥青路面三维有限元动力分析模型,对比分析3种典型沥青路面结构的动力行为特征,进行路面性能评价,并开展沥青路面的结构组合优化分析。研究结果表明:随基层厚度增加,各动力响应量表现为路表弯沉、底基层层底应力和路基顶压应变逐步递减;面层层底应变和层间剪应力逐渐减小,并且随厚度增加,其变化逐渐减弱;当基层厚度20cm,底基层承担较大弯拉应力,随基层厚度增大,基层逐渐成为主要承重层;半刚性路面(S1)整体刚度大,并能较好地抑制沥青层开裂及路基永久变形,倒装式路面(S2)的各项动力力学指标均处于不利状态,组合式路面(S3)的沥青层剪应力指标最优;采用动力指标与结构参数之间的正、负相关性及其显著性分析方法可更直观判别路面结构优化方向,为改善路面受力状态,对S1结构应提高基层厚度、降低面层模量,对S2结构应提高基层厚度,对S3结构应提高基层厚度与面层模量。     

基于剪切弹性柔量的基-面层间接触状态及路面力学响应分析

为研究半刚性基层与沥青面层的层间接触状态对路面结构力学响应和疲劳寿命的影响,选取典型半刚性基层沥青路面结构,采用Bisar3.0软件中的剪切弹性柔量参数AK作为基-面层层间接触状态的评价指标进行路面结构力学计算,分析不同层间接触状态下沥青路面结构的应力、应变、弯沉等力学指标的变化规律,并计算了层间不同接触状态下路面结构的疲劳寿命.结果显示:剪切弹性柔量可以较好的表征基-面层层间接触状态;弯拉应力和剪应力受基-面层间接触状态的影响较大,当基-面层间接触状态由连续变为滑动时,沥青层底弯拉应力的涨幅为528.25％,沥青层底剪应力的涨幅为157.3％,而弯沉受基-面层间接触状态的影响较小;基-面层间保持连续的接触状态可以提高层间抗剪切能力,延长路面的使用寿命.     

基于均匀设计的刚性基层沥青路面破损机理三维有限元分析

利用均匀设计软件对影响沥青路面结构安全性能的参数进行组合,采用有限元方法分析刚性基层路面应力分布情况;利用路面疲劳损伤潜在指数APPDI3D云图及应力状态组合形式研究刚性基层沥青路面结构的破坏模式,在重点分析面层最大APPDI3D对应的主应力组成方式的同时,提出APPDI3D与面层厚度和模量、基层厚度和模量、底基层厚度和模量、路基模量7个因素之间的关系。结果表明,车辙、top-down裂纹为刚性基层沥青路面早期破坏的主要模式;刚性基层沥青路面的应力组成形式为压剪应力、拉剪应力及拉-压复合剪切应力;通过回归分析得到的APPDI3D与7个因素之间的关系能很好地预测拟建路面结构的安全性能,为拟建或在建多面层路面结构设计提供理论依据。     

横观各向同性沥青路面结构动力响应分析

考虑到沥青混合料、级配碎石和土基等材料具有明显的横观各向同性特性,采用有限元分析方法研究了FWD荷载作用下横观各向同性沥青路面结构的动力响应。分别考虑了不同水平下沥青面层、碎石基层及土基的横观各向同性特性,研究结构层材料的水平方向弹性模量与竖直方向模量比对路面的动力响应影响规律,并根据AI破坏准则对其服务寿命进行了预估分析。结果表明,面层和基层的模量比对路面动力响应和服务寿命影响较大:面层和基层弹性模量比对沥青层底应力应变及土基底部压应变影响都很显著,基层模量比对路表弯沉影响也较大;当面层模量比减小到0.2时,控制疲劳开裂和车辙的荷载重复作用次数分别减小了87%和65%,当基层模量比减小到0.17时,则分别减小了82%和59%;土基模量比对路面结构动力响应和服务寿命影响较小。基于各向同性特性的现行路面设计偏于危险,应适当考虑道路材料的横观各向同性特性。     

水泥稳定土路床对路面结构的影响分析

依托某在建高速公路典型路段水泥稳定土路床,通过现场检测和理论计算,分析路床采用水泥稳定处治后对路基回弹模量和路基路面结构性能的影响。结果表明:路床采用水泥稳定处治后,路基顶面弯沉代表值在80～100（0.01 mm）范围,随着路基模量的逐渐增加,沥青混合料层层底最大拉应变增大,基层和底基层的层底最大拉应力减小,路面结构的疲劳寿命增加。建议水泥稳定土路床路基回弹模量取值范围为120～180 MPa。     

基层模量对沥青混合料路面性能影响的力学分析

通过对典型路面结构三维有限元计算,得出了在车辆荷载作用下不同基层模量沥青路面内应力场的分布状态,进一步揭示了基层模量对路面车辙、剪应力及疲劳寿命的影响规律.基层模量过大会加大面层车辙的深度,使面层底部拉应力加大,从而降低路面的疲劳寿命,但是基层模量过小又不能形成足够的强度.综合分析认为,半刚性基层模量在1 200～1 600 MPa范围内是比较合理的.     

结构层厚度对重载交通半刚性基层沥青路面使用寿命的影响分析

厚度计算是半刚性基层沥青路面设计的首要任务,结构层厚度会直接影响到沥青路面结构的受力特性及使用寿命。应用SHELL设计方法的BISAR3程序,系统分析各结构层厚度变化对重载交通沥青路面路受力特性以及路面结构疲劳寿命的影响,阐述了面层、基层、底基层厚度对并重载交通半刚性基层沥青路面的使用寿命的影响规律。通过参数的敏感性分析计算,给出了重载交通半刚性基层沥青路面使用寿命的预测模型,有利于合理选择路面结构层厚度,做到工程造价与使用寿命的协调统一。     

基于交变载荷下沥青路面使用寿命研究

运用断裂力学的相关理论,结合有限元方法,建立含表面裂缝的沥青路面结构三维有限元模型,计算了表面裂缝尖端的应力强度因子,通过分析裂缝的疲劳扩展来预测沥青路面的使用寿命。研究结果表明:表面裂纹形成初期,水平荷载对路面表面裂缝扩展影响较大。裂纹扩展阶段,张开型破坏占裂纹扩展的主导作用;增加面层厚度能有效抑制沥青路层裂缝的扩展;面层厚度增加,基层厚度增加,基层模量增大,面层模量降低,沥青路面疲劳寿命增速越大,疲劳寿命越长,但基层模量增加过大,易导致路面干缩开裂。